乌梁素海沉积物溶解性有机质荧光光谱特性

冯伟莹,焦立新,张 生,王利明,付绪金,李畅游,崔凤丽

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古 呼和浩特 010018；2.中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012；3.中国环境科学研究院,国家环境保护湖泊污染控制重点实验室,湖泊生态环境创新基地,北京 100012)

溶解性有机质(DOM)是湖泊沉积物中最活跃的有机质组分,在湖泊生态系统营养循环和物质交换过程中具有非常重要的作用[1-2].它主要包括亲水性有机酸、类蛋白、类氨基酸、类腐殖酸(胡敏酸和富里酸)和碳水化合物等.其中,类腐殖酸物质较难降解,有机碳含量为DOM中总有机碳含量的40%～80%,类氨基酸物质容易降解以及被微生物利用,仅占DOM的1%～3%[3-4].以往研究通常用COD等有机污染物指标代表DOM的总含量,很难反映DOM的具体组成结构,无法针对性的指导湖泊富营养化控制管理以及生态环境效应的具体评估[5].近些年来,采用灵敏度高、用量少、重复性高、不破坏样品结构的三维荧光分析手段定性区分以及定量测定湖泊上覆水体以及沉积物中的DOM含量及组成结构,并有大量学者将此技术用于海洋[6]、湖泊[7-9]、河流[10-11]等水体DOM的组成结构及污染物迁移转化规律研究.乌梁素海为蒙新高原湖区富营养化浅水草型湖泊,作为内蒙古河套灌区的排泄区,我国重要的生物多样性功能区,区域水生态系统的缓冲区,黄河流域重要的调节库以及区域经济社会发展的重要载体,改善其湖泊生态环境以及了解其沉积物中复杂混合物质DOM的结构组成变化及其三维荧光光谱特性已十分重要,其主要成分(类腐殖质和类蛋白荧光物质)的荧光特性及其变化规律对于湖泊生态系统结构与功能等都有重要影响,因此,本文利用三维荧光光谱技术(3DEEM)研究乌梁素海沉积物DOM的组成结构及其荧光特性,旨在为乌梁素海湖泊富营养化控制管理及其生态环境效应提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古乌梁素海是我国第8大淡水湖,是内蒙古干旱区最为典型的浅水草型湖泊,是黄河中上游重要的保水、蓄水和调水场地[12].乌梁素海(40°36′N～41°03′N,108°43′E～108°57′E)属于蒙新高原湖区,位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特前旗境内,现有水域面积285.38km2,其中芦苇区面积为118.97km2,明水区面积为111.13km2,明水区中85.7km2为沉水植物密集区,其余为沼泽区.乌梁素海是内蒙古河套灌区灌排水系的重要组成部分,处于黄河河套平原末端,属黄河内蒙段最大的湖泊,其补给来源90%经总排干沟汇入乌梁素海后,由西山咀河口排入黄河,是当地农田退水、工业废水和生活污水的唯一承泄渠道,每年汇入乌梁素海的各种营养盐加速了乌梁素海的沼泽化[13-14],使乌梁素海成为我国中型湖泊富营养化水平较为严重的湖泊之一[15].

1.2 样品采集与DOM提取

按照我国水环境及湿地生态系统调查规范[16],根据乌梁素海污染源的分布和水动力特征[17],将乌梁素海在空间上以2km×2km的正方形网格剖分,利用网格的交点,以梅花形布置水样监测点,利用GPS定位,由于本次采样时间处于冬季冰封期(2012年2月14日),湖区南部冰冻层较薄,无法进行采样,所以本次实验取10个采样点[18]进行分析研究(图 1),分别为 I12、J13、K12、L11、M12、M14、P9、P11、Q8、Q10.

分别称取3g过100目筛的沉积物样品,V(水 )：m(土 )为 10：1,恒 温 振 荡 16 h(20 ℃ ,220r/min),4℃离心20min(12000r/min),上清液过玻璃纤维滤膜(GF/F,Whatman,450℃,灼烧4h),所得滤液(即DOM)4℃保存备用,实验所用的水均为Milli-Q超纯水(Millipore,18.2 MΩ·cm).

图1 乌梁素海采样分布Fig.1 Locations of sampling sites in Wuliangsuhai Lake

1.3 分析方法

3DEEM测定是在带有1cm石英荧光样品池的高灵敏度的HITACHI F-7000荧光分光光度计上进行.激发光源：150W氙弧灯;PMT电压：700V;信 噪 比 ＞110;响 应 时 间 ：自 动 ;带 通(Bandpass)：激发波长λEx=5nm,发射波长λEm=5nm;扫描速度：12000nm/min;扫描光谱进行仪器自动校正;扫描波长范围：λEx=200～450nm;λEm=250～600nm;测定前,保持温度恒定(恒温水浴20℃±1℃);以Milli-Q超纯水做空白;实验过程中每隔一定时间,利用Milli-Q超纯水的拉曼光谱强度监控荧光仪的稳定性,没有发现明显的仪器误差.

在实验过程中,所有用到的玻璃器皿均在10%盐酸中浸泡12h,先用自来水清洗3遍,再用Milli-Q超纯水(Millipore,18.2 MΩ·cm)清洗3遍,在100℃烘干2h.

2 结果与讨论

2.1 乌梁素海沉积物DOM的荧光指数

图2 乌梁素海沉积物DOM的荧光指数Fig.2 Fluorescence index of dissolved organic matter in sediment in Wuliangsuhai Lake

荧光指数[19-20](FI)是指当激发波长为370nm时,发射波长在450nm与500nm处荧光强度的比值.荧光指数通常用来研究和表征DOM中腐殖质的来源.研究表明,生物来源DOM的荧光指数(1.9)明显高于陆源DOM的荧光指数(1.4)[21].由图2可见,乌梁素海沉积物DOM的荧光指数处于1.74～1.96之间,其中采样点P11处的荧光指数最大,为1.96.总体而言,乌梁素海沉积物DOM的荧光指数值更接近于1.9,说明其DOM中的腐殖质主要为生物来源.根据2005年TM卫星遥感图像显示[22],芦苇区面积几乎达到全湖面积的42%,沉水植物密集区约占明水区总面积的72%,如此众多的生物量是使得乌梁素海沉积物DOM荧光指数接近生物来源(1.9)的重要原因.

2.2 乌梁素海沉积物DOM出现的荧光峰

本次实验出现的6种类型的荧光峰(表1).其中T1、T2、B1、B2峰分别表示生物降解来源的色氨酸(TRY)和酪氨酸(TYR),主要来源于水中的微生物和浮游植物等残体分解及微生物分泌的胞外酶,这些类蛋白荧光物质与微生物降解产生的芳香性蛋白类结构有关,在水体中易降解;C、A峰表示可见光区与紫外光区类富里酸(FUL),主要来源于腐殖质中的富里酸物质,其强弱和峰位置与腐殖质的腐殖化程度有关[23];类蛋白荧光主要来源于微生物的生命活动,包括外源输入中生活污水和工业废水等携带的微生物以及水体中自身的微生物[11].因此,通过各种荧光峰的位置及强度可区分有机污染物的来源.在不同水样中上述4种荧光峰的荧光位置可能会发生“红移”或“蓝移”现象,当DOM浓度较高时发生“红移”,反之则发生“蓝移”.“红移”与荧光基团中生物利用率较高的羰基、羧基、羟基和胺基的增加有关.

表1 溶解有机物的主要荧光峰[24-25]Table 1 Major fluorescence peaks of dissolved organic matter

2.3 乌梁素海沉积物DOM的荧光光谱位置

由图3可知,乌梁素海沉积物采样点均不同程度的出现了代表类富里酸荧光物质的C、A峰和代表类蛋白荧光物质的T1、T2、B1、B2峰,类富里酸荧光峰的大量出现,说明乌梁素海受到较大的外源污染影响,结合以往研究[19]发现,乌梁素海补给水源主要来自于河套灌区农田退水,年输入量为 4×108～6×108m3,其次是工业废水和生活污水,其中农田退水占三者总水量的96%,后两者各占2%.

图3 乌梁素海沉积物DOM三维荧光图谱Fig.3 Three-dimensional excitation-emission matrix fluorescence spectra of dissolved organic matter in sediment in Wuliangsuhai Lake

史小红等[22]研究发现,2005年乌梁素海水体中有机质含量远远超出了V类水质标准要求(15mg/L),实测COD变化范围为75.0～120.0mg/L.也有研究[26]表明,河套灌区农田化肥用量已由1978年的7×104t迅速上升到1997年的43.8×104t,到2002年已经超过52×104t,但化肥利用率仅为30%.大量的农田退水沿着总排、八排、九排等进入乌梁素海,造成乌梁素海排水口附近水域大面积污染.除去水体自净能力外的大量DOM等有机污染物被沉积至底泥中,造成沉积物DOM大量增加,结合本实验沉积物DOM中,出现了大量代表外来污染物的类富里酸荧光物质以及不同程度的类蛋白物质,然而,类蛋白物质不稳定,极易被水体植物、浮游动物以及微生物等利用,类蛋白物质迅速降解后的产物供乌梁素海水体中的大型挺水植物吸收利用,使得芦苇等挺水植物迅速疯长,造成芦苇等植物的过度生长,最终导致明水面积的大量缩减,沼泽化速率加快.1987年与1996年TM卫星遥感影像图对比发现,近10年间乌梁素海芦苇面积扩大了18.09km2,沼泽区面积扩大了6km2,沉水植物面积扩大了9km2,大型挺水植物已占全湖面积的72.69%,乌梁素海的面积已由20世纪50年代的660km2缩减为273km2.因此,控制农田退水等的外源污染对治理乌梁素海富营养化具有重要意义.

2.4 乌梁素海沉积物DOM的荧光强度

由表2可知,乌梁素海沉积物DOM中除了含有较大强度的类色氨酸、酪氨酸等芳香环结构的类蛋白物质,还有较强荧光强度的类富里酸物质,其与腐殖质结构中的羰基和羧基有关,且同一湖区不同区域的各类荧光峰强度及中心位置也存在一定的差异.这与刘明亮等[26]对太湖DOM三维荧光光谱分析得到的荧光峰一致.这说明沉积物DOM中难以被微生物利用难降解的有机物常年积累,当湖水有较大生物扰动或物理波动时,沉积物中这些难降解的DOM就会向上覆水体中释放,造成水体二次污染,同时,又为乌梁素海大量芦苇等挺水植物提供营养物质,促进其大量生长,形成恶性循环.研究表明[27],荧光强度反应的是DOM浓度,故荧光强度的变化也能折射出水体受污染的程度,而荧光峰强度的区域分布差异可能与不同湖区DOM来源不同而有所差异.通常来说,湖泊水体DOM的来源分为内源与外源,内源与生物活动有密切联系,主要是水体浮游动物或浮游植物有机体的光降解作用、细菌降解以及浮游动植物及微生物渗漏等原因造成[28];而外源主要为农业退水、工业废水及生活污水的大量排放,造成外源有机质的汇入而形成.除此以外,近2年研究[3]发现,雨水也会称为湖泊水体DOM的外界来源.一般来说,天然水体DOM中的类蛋白物质主要由微生物的降解产生,当水体受到严重污染时,其类蛋白物质就会相应增多,而水体中的类富里酸物质等主要来源于外源输入.

结合表1与表2可知,乌梁素海沉积物DOM中出现了6种荧光峰,除M12点外,荧光强度A峰＞C峰,这说明乌梁素海沉积物DOM主要以紫外光区的类富里酸物质为主,故控制农田废水的排入就是要控制沉积物DOM紫外光区类富里酸荧光物质的形成;荧光强度B1＞B2峰;除J13点外,荧光强度T1峰＞T2峰,表明乌梁素海沉积物DOM类蛋白荧光物质主要以可见光区的类色氨酸和类酪氨酸为主,因此,控制芦苇等大型挺水植物的生长就是控制沉积物DOM可见光区类色氨酸与类酪氨酸的形成.再结合乌梁素海背景及图3中不同湖区荧光指数的变化,表现了乌梁素海沉积物DOM来源的区域差异性.例如,P11点紫外区和可见区类酪氨酸荧光、可见区类色氨酸均出现,类富里酸荧光峰仅在紫外区出现,结合此点荧光指数最高,为1.96,表明P11点主要为生物来源,从图2中采样分布也可以看到,P11点处于芦苇区,因此该点沉积物DOM来源主要为芦苇等挺水植物腐烂分解作用,所受外源污染作用不明显.这与乌梁素海属于典型的草型湖泊,芦苇等大型挺水植物生长旺盛,其死亡腐烂分解后会产生大量的类蛋白物质有关,即为DOM的主要内源;而该点在紫外区也出现了较强的类富里酸荧光峰,表明乌梁素海河套灌区排入的农田退水等经过湖水自净能力后,污染程度有所降低,使得部分可见光区的类富里酸物质在湖水运移过程中被浮游动植物或水体微生物分解利用.因此,乌梁素海沉积物DOM的来源具有陆源及内源的双重特性,但这两种来源在不同湖区对DOM的贡献程度尚有差别,这也是乌梁素海沉积物DOM表现出差异的一个重要原因.

表2 乌梁素海沉积物DOM的荧光强度Table 2 Intensity of all types of fluorescence peaks of dissolved organic matter in the sediments of Wuliangsuhai Lake

3 结论

3.1 乌梁素海沉积物DOM主要出现6类荧光峰,分别为代表类富里酸荧光物质与类蛋白荧光物质,其中荧光强度A峰＞C峰,B1峰＞B2峰,T1峰＞T2峰,说明乌梁素海沉积物DOM主要以紫外光区类富里酸物质和可见光区类色氨酸、类酪氨酸为主.

3.2 乌梁素海沉积物DOM荧光指数处于1.74～1.96之间,具有陆源和内源双重特性,其中陆源来自西部河套灌区农田退水的大量输入,内源来自芦苇等大型挺水植物死亡腐烂分解.

[1]Artinger R,Buckau G,Geyer S,et al.Characterization of groundwater humic substances：influence of sedimentary organic carbon[J].Applied Geochemistry,2000,15(1)：97-116.

[2]Wu F C,Tanoue E,Liu C Q,et al.Fluorescence and amino acid characteristics molecular size fractions of DOM in the waters of Lake Biwa[J].Biogeochemistry,2003,65(2)：245-257.

[3]Hur J,Lee B M,Shin H S,et al.Microbial degradation of dissolved organic matter (DOM) and its influence on phenanthrene-DOM interactions[J].Chemosphere,2011,85：1360-1367.

[4]Jiang F H,Lee F S C,Wang X R,et al.The application of excitation-emission matrix spectroscopy combined with multivariate analysis for the characterization and source identification of dissolved organic matter in seawater of Bohai Sea,China[J].Marine Chemistry,2008,110(1)：109-119.

[5]Shinichi A,Yasuro F,Etsu Y.Organic matter and their effects on the increase of COD in Lake Biwa[J].Analytical Chemistry,2004,20(1)：159-164.

[6]DePalma S G S,Arnold W R,McGeer J C,et al.Variability in dissolved organic matter fluorescence and reduced sulphur concentration in coastal marine and estuarine environments[J].Applied Geochemistry,2011,26(3)：394-404.

[7] 张运林,秦伯强,马荣华,等.太湖典型草、藻型湖区有色可溶性有机物的吸收及荧光特性 [J].环境科学,2005,26(2)：142-147.

[8] 闫彩红,王圣瑞,薛南东,等.不同氨氮添加量下沉水植物对沉积物DOM荧光特性的影响 [J].环境科学研究,2011,24(7)：740-746.

[9]Fu P Q,Wu F C,Liu C Q,et al.Spectroscopic characterization and molecular weight distribution of dissolved organicmatterin sedimentporewatersfrom LakeErhai,Southwest China[J].Biogeochemistry,2006,81(2)：179-189.

[10]Baker A.Fluorescence excitation-emission matrix characterization of some sewage impacted rivers[J].Environ.Sci.Technol.,2001,35(5)：948-953.

[11]Yang F,Huang Q H,Li J H,et al.Characterization of chromophoric dissolved organic matter in the Yangtze Estuary by absorption and fluorescence spectroscopy [J].Journalof Environmental Science for Sustainable Society,2007,1：55-60.

[12]李 兴,李畅游,李卫平,等.基于地质统计学的内蒙古乌梁素海氮素时空分布 [J].中国农村水利水电,2009,44：37-40.

[13]任春涛,李畅游,全占军,等.基于GIS的乌梁素海水体富营养化状况的模糊模式识别 [J].环境科学研究,2007,3：68-74.

[14]于瑞宏,李畅游,刘廷玺,等.乌梁素海湿地环境的演变[J]. 地理学报,2004,59(6)：948-955.

[15]金相灿,稻森悠平,朴俊大,等.湖泊和湿地水环境生态修复技术与管理指南 [M].北京：科学出版社,2007：70-98.

[16]陈 晨,杨桂朋,高先池,等.胶州湾微表层和次表层海水中营养盐的分布特征及富营养化研究 [J].环境科学学报,2012,32(8)：1856-1865.

[17]李 兴,李畅游,李卫平,等.基于地质统计学的内蒙古乌梁素海氮素时空分布 [J].中国农村水利水电,2009,44：37-40.

[18]姜忠峰.乌梁素海综合需水分析及生态系统健康评价 [D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2011：18-19.

[19]Wolfe A P, Kaushal S S, Fulton J R, et al.Spectrofluorescence of sediment humic substances and historical changes of lacustrine organic matter provenance in response to atmospheric nutrient enrichment[J].Environmental Science and Technology,2001,36(15)：3217-3223.

[20]Battin T J.Dissiolved organic matter and its optical properties in a blackwater tributary of the upper Orinoco river,Venezuela[J].Organic Geochemistry,1998,28(9/10)：561-569.

[21]Mckingt D M,Boyer E W,Westerhoff P K,et al.Spectrofluorometric characterization of dissolved organic matter for indication of precursor organic material and aromaticity[J].Limnology and Oceanography,2001,46(1)：38-48.

[22]史小红.乌梁素海营养元素及其存在形态的数值模拟分析 [D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2007：16-38.

[23]Baker A,Curry M.Fluorescence of leachates from three contrasting landfills[J].Water Reserch,2004,38(10)：2605-2613.

[24]施 俊,王志刚,封 克.水体溶解有机物三维荧光光谱表征技术及其在环境分析中的应用 [J].大气与环境光学学报,2011(6)4：243-251.

[25]欧阳二明,张锡辉,王 伟.城市水体有机污染类型的三维荧光光谱分析法 [J].水资源保护,2007,23(3)：56-59.

[26]刘明亮,张运林,秦伯强.太湖入湖河口和开敞区CDOM吸收和三维荧光特征 [J].湖泊科学,2009,21(2)：234-241.

[27]张运林,秦伯强,龚志军.太湖有色可溶性有机物荧光的空间分布及其与吸收的关系 [J].农业环境科学学报,2006,25(5)：1337-1342.

[28]HendersonR K,BakerA,ParsonsS A,etal.Characterization of algogenic organic matter extracted from cyanobacteria,green algae and diatoms[J].Water research,2008,42(13)：3435-3445.